KR940000732B1 - Method and apparatus for producing a liquefied permanent gas stream - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명에 따른 질소액화공장의 일부를 설명하는 공정도.1 is a process diagram illustrating a part of the nitrogen liquefaction plant according to the present invention.
계2도는 질소의 온도 대 앤탈피 그래프.Figure 2 is a graph of nitrogen versus enthalpy.
제3도는 본 발명에 따른 질소액화공장을 설명하는 공정도.3 is a process diagram illustrating a nitrogen liquefaction plant according to the present invention.
제4도는 제3도에 제시된 공장설비와 온도의 관계를 보여주는 도표4 is a diagram showing the relationship between plant equipment and temperature presented in FIG.
제5도는 또다른 질소액화공장설비와 온도의 관계를 보여주는 도표.5 is a diagram showing the relationship between another nitrogen liquefaction plant equipment and temperature.
제6도는 각 압력하에서 질소의 비열-온도곡선을 표시하는 그래프.6 is a graph showing the specific heat-temperature curve of nitrogen under each pressure.
본 발명은 냉동방법과 장치에 관련되며 특히 질소와 메탄과 같은 영구가스(permenent gas)의 액화에 관한 것이다.The present invention relates to refrigeration methods and apparatus and in particular to the liquefaction of permanent gases such as nitrogen and methane.
영구가스는 그 가스의 압력만을 상승시킴으로서는 액화되지 않은 성질을 가지고 있다. 가스가 그의 액체와 평형상태로 존재할 수 있는 온도에 도달케 하려면 그 가스를 가압상태에서 냉각시킬 필요가 있다.Permanent gas has a property of not being liquefied by only raising the pressure of the gas. In order to reach a temperature at which a gas can exist in equilibrium with its liquid, the gas needs to be cooled under pressure.
영구가스를 액화하거나 그것을 임계점 또는 그 이하로 냉각하는 종래의 공정은 가스를 압축하고(통상적으로는 30기압 이상으로 적절히 승압되어져 있지 않은 한) 비교적 저압의 작동유체(working fluid)와 열교환하여야 한다. 작동유체를 영구가스의 임계온도 이하로 공급한다. 작동유체의 스트림은 작동유체를 압축하고 열교환기에서 냉각하고 외부일의 수행("열팽창")으로 팽창시킴으로서 전형적으로 형성된다. 작동유체는 영구가스의 고압스트림에서 취할 수도 있고 영구가스를 작동유체와 분리된 상태로 유지할 수도 있는데, 그럼에도 불구하도 작동유체는 영구가스와 같은 성분을 가질 수 있다.Conventional processes of liquefying permanent gas or cooling it to or below a critical point must compress the gas (usually unless it is properly elevated to above 30 atmospheres) and heat exchange with a relatively low pressure working fluid. Supply working fluid below the critical temperature of permanent gas. A stream of working fluid is typically formed by compressing the working fluid, cooling it in a heat exchanger and expanding it with the performance of external work (“thermal expansion”). The working fluid may be taken from the high pressure stream of the permanent gas and the permanent gas may be kept separate from the working fluid, nevertheless the working fluid may have the same components as the permanent gas.
전형적으로, 액화된 영구가스는 그의 임계온도 이하로 등압 냉각을 위하여 택하는 압력보다 낮은 압력에서 저장되고 사용된다. 따라서, 이러한 등압냉각을 완료한 후에, 임계온도 이하의 영구가스는 팽창 또는 교축밸브(throttling value)를 통과하여 압력이 충분히 감소되고 다량의 소위 발화가스("flash gas")가 생성된다. 이 팽창은 동엔탈피 과정이고 그 액체의 온도가 강하하는 결과를 초래한다. 일반적으로 저장압력에서 증기와 평형상태에 있는 액화된 영구가스와 발화가스를 만드는데는 1회 또는 2회의 이러한 팽창과정을 수행하여야 한다. 일반적으로 영구가스를 액화하는 산업용 공정의 열역학적 효율이 낮기 때문에 이러한 효율을 향상시킬 여지는 없다.Typically, liquefied permanent gas is stored and used at a pressure lower than its pressure for isothermal cooling below its critical temperature. Therefore, after completion of this isothermal cooling, the permanent gas below the critical temperature passes through an expansion or throttling value to sufficiently reduce the pressure and produce a large amount of so-called "flash gas". This expansion is an enthalpy process and results in a drop in the temperature of the liquid. Generally, one or two such expansion processes should be performed to produce liquefied permanent and ignition gases in equilibrium with steam at storage pressure. In general, there is no room to improve this efficiency because of the low thermodynamic efficiency of industrial processes for liquefying permanent gases.
열교환기의 효율을 높여서 공정의 전체효율을 향상시키는 일이 강조되었다. 이와 같이, 본 기술분야에서 종래의 기술은 영구가스 스트림과 작동유체스트림 또는 열교환되는 스트림간의 온도차를 줄이는데 집중되었다.The emphasis was on improving the overall efficiency of the process by increasing the efficiency of the heat exchanger. As such, the prior art in the art has focused on reducing the temperature difference between the permanent gas stream and the working fluid stream or the stream being heat exchanged.
본인은 금번 액화공정의 동엔탈피 팽창단계의 효율을 향상시키는 방법을 발명하였다. 이런 효율의 증가는 종전에 있을 수 있었던 단순한 가치가 아니며, 이것은 작동유체의 열팽창에 적용될 수 있는 보다 바람직한 조건(혹은 아주 낮은 온도의 열팽창)을 가능케 하고 따라서 액화과정에서 동엔탈피 팽창만으로 이루어질때 얻을 수 있는 것보차 더 큰 전체 열역학적 효율의 향상을 얻을 수 있게 하였다.I invented a method to improve the efficiency of the copper enthalpy expansion stage of the liquefaction process. This increase in efficiency is not a simple value previously possible, which allows more favorable conditions (or very low temperature thermal expansion) to be applied to the thermal expansion of the working fluid and thus can only be achieved by dynamic enthalpy expansion during liquefaction. It is possible to obtain greater overall thermodynamic efficiency improvements than there is.
본 발명은 영구가스 스트림의 액화방법을 제공하는데, 다음 네가지로 설명된다. 첫째; 승압된 상태의 영구가스 스트림을 그의 임계온도 이하로 강하시키는 단계를 포함한다. 이때의 온도강화는 열팽창한 질소함유 작동유체와의 역류(count flow) 열교환으로 영향을 받는다. 또한 이 작동유체의 온도는 이것이 영구가스 스트림과 열교환될때 영구가수의 일체온도 이하이다. 둘째; 전술한 임계온도 이하의 영구가스 스트림이 최소한 3회의 계속적인 동엔탈피 팽창작용을 받게 한다. 셋째; 동엔탈피 팽창후 액체에서 생성되는 발화(flash) 가스를 분리하고, 각 동엔탈피 팽창과정에서 남게되는 액체는 후속 동엔탈피 팽창에서 팽창되는 유체로서 마지막까지 남게 된다. 넷째; 영구가스 스트림이 발화가스의 일부와 열교환한다.The present invention provides a method of liquefying a permanent gas stream, which is described in the following four ways. first; Lowering the boosted permanent gas stream below its critical temperature. The temperature increase at this time is influenced by the counter flow heat exchange with the thermally expanded working fluid containing nitrogen. The temperature of this working fluid is also below the integral temperature of the permanent singer when it is heat exchanged with the permanent gas stream. second; Permanent gas streams below the critical temperature described above are subjected to at least three continuous dynamic enthalpy expansions. third; The flash gas generated in the liquid after copper enthalpy expansion is separated, and the liquid remaining in each copper enthalpy expansion process remains to the end as the fluid expanded in subsequent copper enthalpy expansion. fourth; The permanent gas stream exchanges heat with a portion of the ignition gas.
본 발명은 또한 영구가스를 액화하는 장치도 제공하는데 다음 세가지를 포함한다. 첫째; 열교환장치를 포함한다. 이 장치는 열팽창한 작동유체의 통로와 또한 발화가스가 통과할 통로에 대해 열교환이 이루어질 승압된 영구가스 스트림의 통로를 갖는다. 둘째; 하나이상의 열팽창장치를 포함한다. 이 장치는 열팽창한 작동유체가 영구가스 스트림의 임계온도 이하의 온도로 되게하고 따라서 영구가스 스트림의 온도가 자신의 임계온도 이하로 냉각되게 한다. 셋째; 영구가스 스트림이 3회 이상의 가속적 동엔탈피 팽창을 수행하기 위한 3개 이상의 팽창밸브(valve)를 포함한다. 각 밸브의 하류단은 액화된 가스와 발화가스를 분리하는 분리조(separator)와 연결되고 액화된 가스가 담긴 각 분리조는 다음 팽창밸브의 하단에 연결시킨 출구를 갖추고 있다.The present invention also provides an apparatus for liquefying permanent gas, including three things. first; And a heat exchanger. The apparatus has a passage of a boosted permanent gas stream in which heat exchange is to be made to the passage of the thermally expanded working fluid and also to the passage of the ignition gas. second; One or more thermal expansion devices. The apparatus causes the thermally expanded working fluid to be at or below the critical temperature of the permanent gas stream and thus to cool the temperature of the permanent gas stream below its critical temperature. third; The permanent gas stream includes three or more expansion valves for carrying out three or more accelerated dynamic enthalpy expansions. The downstream end of each valve is connected to a separator separating liquefied gas and ignition gas, and each separator containing liquefied gas has an outlet connected to the bottom of the next expansion valve.
처음온도와 최종온도 사이에서 3회 또는 그 이상의 계속적 동엔탈피 팽창(동엔탈피 압력감소)을 수행하는 것은 단지 하나 또는 2회의 동엔탈피 팽창으로 같은 온도범위를 이행하는 것보다 열역학적으로는 보다 효율적이다. 이렇게 보다 큰 효율을 얻을 수 있는 이유는 다음의 제2도를 참조한 실시예의 방법으로 설정된다.Performing three or more continuous enthalpy expansions (copper enthalpy pressure reduction) between the initial temperature and the final temperature is thermodynamically more efficient than performing the same temperature range with only one or two dynamic enthalpy expansions. The reason why such greater efficiency can be obtained is set by the method of the embodiment with reference to FIG. 2 below.
전형적으로, 영구가스 스트림과 열교환된 후 발화가스는 액화를 위하여 들어오는 영구가스와 함께 재압축된다.Typically, after heat exchange with the permanent gas stream, the ignition gas is recompressed with the incoming permanent gas for liquefaction.
전형적으로, 열팽창한 작동유체가 생성되고, 또한 작동유체가 압축, 냉각(영구가스에 의하여), 팽창터빈에서 열팽창되고, 영구가스 스트림에 대한 역류 열교환으로 가온(warming)되고(이때 영구가스 스트림은 냉각됨), 다시 재압축을 위해 복귀하는 작동유체 싸이클에서 역류 열교환이 이루어진다.Typically, a thermally expandable working fluid is produced, and the working fluid is also compressed, cooled (by permanent gas), thermally expanded in an expansion turbine, warmed by countercurrent heat exchange to the permanent gas stream, where the permanent gas stream is Cooled), and countercurrent heat exchange takes place in the working fluid cycle which is returned for recompression.
만일 원하면, 2회 또는 그 이상의 열팽창 과정을 하나의 작동유체 싸이클에 사용할 수 있다. 이와 같이, 냉각과 가열과정의 중간에 있는 작동유체는 중간압력으로 열팽창을 하게 되는데, 일부가 재가열되어 보다 낮은 압력으로 열팽창하지만 대개는 제1단계 열팽창으로 얻어진 것과 같은 온도가 된다.If desired, two or more thermal expansion processes may be used in one working fluid cycle. As such, the working fluid in the middle of the cooling and heating process undergoes thermal expansion at intermediate pressures, some of which are reheated and thermally expanded to lower pressures, but usually at the same temperature obtained by the first stage of thermal expansion.
우리는 최소한 2개의 작동유체 싸이클을 사용하는데, 한 싸이클의 작동유체는 저온에서 영구가스와의 역류 열교환하며 다른 한 싸이클의 온도보다 더 낮은 온도에서 진행된다.We use at least two working fluid cycles, where one working fluid is subjected to countercurrent heat exchange with permanent gas at low temperatures and proceeds at a temperature lower than the temperature of the other cycle.
이러한 방법에서, 종래의 액화방법보다 작동유체 온도를 더 크게 떨어뜨리는 효과를 가져오는 3회 이상의 동엔탈피 팽창을 이용할 수 있다고 믿는다. 그와같이 하여, 최저온도 작동유체 싸이클에 소요되는 냉동량을 감소시킬 수 있고, 따라서 비교적 높은 팽창터빈 출구은도와 출구압력을 이 싸이클에 사용할 수 있게 한다. 최저온도 작동유체 싸이클에서 작동유체가 최소 10기압이 되고 하나의 열팽창이 완료되면 대개 12 내지 20기압의 범위(예컨대 팽창터빈은 최소 10기압, 대개 12 내지 20기압의 출구압력을 갖는다)가 되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 출구압력은 터빈 팽창 싸이클에서 종래에 사용되던 것보다는 매우 높다. 이런 높은 압력을 사용하며, 열팽창된 작동유체의 비열이 실제로 높아서 최저온도 작동유체 싸이클의 열역학적 효율증가가 가능하며 또한 단위전력 소모량(specific power consumption)도 감소시킨다. 바람직하게는, 열팽창이 완료되면 팽창터빈의 출구압력이 12 내지 20기압이고, 또한 작동유체는 포화온도이거나 포화온도보다 2°K가 높은 온도가 된다. 포화온도나 그것에 근접한 상태에서 작동유체의 비열은 온도하강에 따라 급격히 증가한다.In this method, it is believed that three or more dynamic enthalpy expansions can be used which result in a greater drop in working fluid temperature than conventional liquefaction methods. As such, the amount of refrigeration required for the lowest temperature working fluid cycle can be reduced, thus allowing relatively high expansion turbine outlet flow rates and outlet pressures to be used for this cycle. In a minimum temperature working fluid cycle, when the working fluid is at least 10 atm and one thermal expansion is completed, it is usually in the range of 12 to 20 atm (for example, the expansion turbine has a minimum of 10 atm, usually at a pressure of 12 to 20 atm). Most preferred. This outlet pressure is much higher than that conventionally used in turbine expansion cycles. Using this high pressure, the specific heat of the thermally expanded working fluid is actually high, which allows for the increase of the thermodynamic efficiency of the lowest temperature working fluid cycle and also reduces the specific power consumption. Preferably, when the thermal expansion is completed, the outlet pressure of the expansion turbine is 12 to 20 atm, and the working fluid is at a saturation temperature or 2 ° K higher than the saturation temperature. At or near saturation temperature, the specific heat of the working fluid increases rapidly with temperature drop.
따라서 작동유체가 포화온도(혹은 이에 근접하는)로 열팽창하면 팽창터빈 출구압력을 최소 10기압으로 사용함으로서 열역학적 효율이 증대되는 잇점을 개선할 수 있다. 실제로, 열팽창이 일단 완료되면 자가동유체는 유리하게 완전히 포화되든가 습윤(set) 상태가 된다. 작동유체 싸이클에 2개 이상의 팽창터빈이 사용되는 경우, 최저압력의 터빈은 그 출구온도가 작동유체의 포화온도 이거나 그보다 2°K가 높다.Therefore, when the working fluid is thermally expanded to (or near) the saturation temperature, the advantage of increasing the thermodynamic efficiency by using the outlet pressure of the expansion turbine at least 10 atm. Indeed, once thermal expansion is complete, the autofluid is advantageously fully saturated or set. If two or more expansion turbines are used in the working fluid cycle, the turbine with the lowest pressure has an outlet temperature of 2 ° K higher than or equal to the saturation temperature of the working fluid.
열팽창된 작동유체가 영구가스 스트림과 열교환될 때보다 더 낮은 온도의 영구가스 스트림을 발화가스 일부 혹은 모두와 열교환 시키는 것이 바람직하다. 이점에 관한 전형적인 실시예에서, 이 발화가스는 영구가스 스트림의 온도를 3°K 정도 감소시킬 수 있다고 확신하며 이점은 발화가스로 열교환시킬 영구가스 스트림의 온도가 종래의 방법에서 요구되는 영구가스 스트림 온도보다 3°K가 더 높을 수 있다는 사실을 의미한다. 따라서, 최저온도의 작동유체 싸이클에서 팽창터빈 출구압력을 10기압 이상으로 높일 수 있다.It is desirable to heat exchange the permanent gas stream at a lower temperature with some or all of the ignition gases than when the thermally expanded working fluid is heat exchanged with the permanent gas stream. In a typical embodiment of this, the ignition gas is convinced that the temperature of the permanent gas stream can be reduced by 3 ° K and the advantage is that the temperature of the permanent gas stream to be heat exchanged with the ignition gas is required in the conventional process. This means that 3 ° K can be higher than the temperature. Therefore, it is possible to increase the outlet pressure of the expansion turbine to 10 atm or higher in the working fluid cycle at the lowest temperature.
본 기술분야에서 종래의 실시 온도보다 높은 온도에서 동엔탈피 팽창하는 영구가스 스트림을 택함으로서 효율의 증가를 이용하는 점이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 영구가스가 질소일때, 질소의 온도를 전술한 계속적인 동엔탈피 팽창과정에 주입하기 전에 107 내지 117°K(대개 110°K)로 낮춘다. 110°K의 온도는 광범위한 영구가스 스트림의 압력에 걸쳐 사용될 수 있다.It is desirable in the art to take advantage of the increase in efficiency by taking permanent gas streams which enthalpy expand at temperatures above conventional practice temperatures. According to the present invention, when the permanent gas is nitrogen, the temperature of the nitrogen is lowered to 107 to 117 ° K (usually 110 ° K) before injecting it into the continuous copper enthalpy expansion process described above. A temperature of 110 ° K can be used over the pressure of a wide range of permanent gas streams.
만일 영구가스가 1일당 수백톤 규모의 산소를 생산하는 저온 공기 분리공정에서 생산된 질소스트림이라면 발화가스는 통상적으로 생산된 액체 질소량의 절반으로 생성되고 질소스트림은 110°K 온도의 동엔탈피 팽창을 위해 사용한다. 원심압축기가 사용되는 소규모 공장에서 팽창터빈 출구온도가 작동유체의 임게온도에 근접하는 우에는 발화가스 형성 비율이 크고(예컨대, 액체생성물 형성 비율의 100%까지) 이결과 순환가스 부피가 증가하고 순환압축기 효율을 바람직하게 유지시킨다. 터빈출구온도가 임계온도에 근접하면, 예외적인 높은 출구압력을 사용하지 않는 한(얘컨대, 작동유체로 질소를 사용한 경우 20기압 이상) 팽창터빈 출구온도를 포화온도의 2°K 이내로 유지하기는 불가능하다.If the permanent gas is a nitrogen stream produced in a low temperature air separation process that produces hundreds of tonnes of oxygen per day, the ignition gas is typically produced at half the amount of liquid nitrogen produced, and the nitrogen stream produces a dynamic enthalpy expansion at 110 ° K. To use. In small plants where centrifugal compressors are used, when the outlet temperature of the expansion turbine is close to the working temperature of the working fluid, the rate of ignition gas is high (eg up to 100% of the rate of liquid product formation), resulting in increased circulation gas volume and circulation. The compressor efficiency is preferably maintained. If the turbine outlet temperature is close to the critical temperature, unless the exceptionally high outlet pressure is used (e.g., at least 20 atm when using nitrogen as the working fluid), it is not possible to maintain the outlet temperature of the expansion turbine within 2 ° K of the saturation temperature. impossible.
전형적으로, 영구가스 스트림은 또한 냉동체 스트림과의 열교환으로 냉각된다. 이 냉동제 스트림은 열팽창된 작동유체가 영구가스 스트림과 합류될때의 온도나 그보다 높은 온도에서 영구가스 스트림과 역류형으로 열교환된다. 질소의 액화에서, 냉동제 스트림의 영구가스 스트림을 실온에서 210°K로 냉각시키는 것이 바람직스럽다. 이것이 유리한 점은 고온 열팽창 단계에서 냉동부하를 감소시켜 다른 가능한 방법보다 효율적으로 조작할 수 있기 때문이다. 냉동제는 전형적으로 "프레온" 또는 기타 냉동에 사용되는 비영구가스다. 작동유체는 전형적으로 영구가스이며 일반적으로 편의상 액화할 가스에서 취하여 압축한다.Typically, the permanent gas stream is also cooled by heat exchange with the freezer stream. The refrigerant stream is heat exchanged countercurrently with the permanent gas stream at or above the temperature at which the thermally expanded working fluid merges with the permanent gas stream. In the liquefaction of nitrogen, it is desirable to cool the permanent gas stream of the refrigerant stream to 210 ° K at room temperature. This is advantageous because in the high temperature thermal expansion step the refrigeration load can be reduced and operated more efficiently than other possible methods. Refrigerants are typically non-permanent gases used for "freon" or other refrigeration. The working fluid is typically permanent gas and is usually taken from the gas to be liquefied and compressed for convenience.
일반적으로, 영구가스와 작동유체의 온도-엔탈피 구배(프로파일)(profile)를 매우 유사하게 유지하는 것이 바람직하며, 특히 영구가스의 비열의 변화율이 최대인(예컨대 50기압에서 질소의 경우 135°K 및 180°K사이) 임계온도 이상의 온도범위에는 더욱 그러하다.In general, it is desirable to maintain a very similar temperature-enthalpy profile of the permanent gas and the working fluid, in particular the maximum rate of change in the specific heat of the permanent gas (e.g. 135 ° K for nitrogen at 50 atmospheres). And more than 180 ° K).
열팽창된 작동유체가 영구가스와 역류 열교환되는 정확한 온도와 작동유체 싸이클수는 이러한 유사성을 얻을 수 있도록 선택된다.The exact temperature and number of working fluid cycles at which the thermally expanded working fluid is heat exchanged back to the permanent gas are chosen to achieve this similarity.
45기압 또는 그 이하로 제공되는 영구가스의 액화에서 이러한 목직을 달성하기 위해 작동유체 싸이를을 3개 사용하는 것이 바람직하다. 3개의 싸이클을 채택함으로서, 최저온도 싸이클에서의 냉동부하를 최소한 12기압의 출구압력을 갖는 싸이클에서 팽창터빈 가동에 부합되는 수준으로 유지할 수 있다. 45기압에서의 질소액화의 실시예에서, 최저온도 또는 출구압력 16기압 출구은도 112°K의 팽창터빈을 이용하는 "저온"(여기서 "저온"이라함은 압축된 공기를 냉각한 작동유체의 상태를 말한다)" 작동유체 싸이클, 136°K의 출구온도를 갖는 2개의 팽창터빈을 니용하는 중간단계 작동유체 싸이클 또한 160°K의 출구온도를 갖는 팽창터빈을 이용하는 "고온"(여기서 "고온"이라 함은 압축하여 상승된 온도를 가지는 작동유체의 상태를 말한다)" 작동유체 싸이클을 채택한다. 영구가스의 압력이 높을수록 온도 엔탈피 프로파일이 덜 완극하다. 그러므로 영구가스와 작동유체의 온도-엔달피 프로파일간의 밀접한 유사성이 용이하게 유지된다. 따라서 45기압 이상의 영구가스 압력에서는, 작동유체 싸이클을 단지 2개만 채택하는 것이 바람직하다. 예컨대 50기압의 질소에 대하여 출구압력 14기압과 출구온도 110 내지 112°K의 팽창터빈을 이용한 "저온" 작동유체 싸이클과 150°K의 출구온도의 팽창터빈을 이용한 "고온" 작동유체 싸이클을 채택함이 바람직하다.It is preferable to use three working fluid cycles to achieve this job in the liquefaction of permanent gas provided at 45 atm or lower. By adopting three cycles, the refrigeration load at the lowest temperature cycle can be maintained at a level comparable to the operation of the expansion turbine in cycles with an outlet pressure of at least 12 atmospheres. In the embodiment of nitrogen liquefaction at 45 atm, the minimum temperature or outlet pressure at 16 atm is determined by the term "low temperature" (where "low temperature") employs an expansion turbine of FIG. Working fluid cycle, an intermediate stage working fluid cycle utilizing two expansion turbines having an outlet temperature of 136 ° K, also referred to as "high temperature" (herein referred to as "high temperature") using an expansion turbine with an outlet temperature of 160 ° K. Refers to the state of the working fluid with elevated temperature under compression). ”The working fluid cycle is employed. The higher the pressure of the permanent gas, the less complete the temperature enthalpy profile. Therefore, the close similarity between the temperature-endorpy profile of the permanent gas and the working fluid is easily maintained. Therefore, at permanent gas pressures above 45 atm, it is desirable to employ only two working fluid cycles. For example, a "low temperature" working fluid cycle using an outlet turbine with an outlet pressure of 14 atm and an outlet temperature of 110 to 112 ° K for 50 atmospheres of nitrogen and a "high temperature" working fluid cycle using an expansion turbine with an outlet temperature of 150 ° K is adopted. It is preferable to.
적절히 승압된 상태에서 공급받을 수 있는 경우를 제외하고는, 영구가스는 적당한 압축기로 승압시키는 것이 바람직하다. 한예에서, 영구가스의 압력은 다단압축기의 여러단계를 통하여 중간정도 압력까지 승압되고 그후 작동유체의 열팽창에 사용되는 팽창터빈의 회전축에 같이 연결된 회전식 승압 압축기에 의하여 최종압력으로 승압된다. 전형적으로, 각각 다른 압력의 발화가스 스트림이 다단압축기의 각단에 되돌려진다.The permanent gas is preferably boosted by a suitable compressor, except where it can be supplied in a properly boosted condition. In one example, the pressure of the permanent gas is boosted to a final pressure through several stages of the multistage compressor and then to a final pressure by a rotary boost compressor connected together to the rotary shaft of the expansion turbine used for thermal expansion of the working fluid. Typically, different pressure streams of ignition gas are returned to each stage of the multistage compressor.
열교환기 장치에 연결된 통로의 수를 줄이기 위해, 열교환기를 통해 압축기로 되돌아오는 통로와 작동유체 싸이클을 공용함이 바람직하다.In order to reduce the number of passages connected to the heat exchanger device, it is desirable to share the passage of the working fluid cycle with the passages returned to the compressor via the heat exchanger.
본 발명은 질소와 메탄의 액화에만 국한되는 것은 아니다. 일산화탄소 및 산소와 같은 다른 가스도 또한 액화될 수 있다.The present invention is not limited to the liquefaction of nitrogen and methane. Other gases such as carbon monoxide and oxygen can also be liquefied.
본 발명을 참고도면 실시예로 보다 상세히 설명한다.The present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
제1도에서, 온도 113°K 및 압력 45기압의 액체질소 스트림(2)이 열교환기(4)를 통하여 온도가 110°K로 떨어진다. 다음에 동엔탈피 팽창교축밸브(throttling valve)(6)을 통해 8기압으로 감압된다. 이 감압으로 다량의 기체 질소가 밸브(6)를 통과한 액체에서 발화(flash)하고 액체질소는 8기압으로 유지된다. 발화가스는 상 분리조(10)에서 액체질소로부터 분리된다. 발화가스는 열교환기(4)에서 액체질소(2)에 대해 역류통과하여 액체 질소를 냉각시키고 되돌아간다.In FIG. 1, the
8기압의 액체질소는 상 분리조(10)에서 취하고 이것이 제2동엔탈피 팽창 교축밸브(12)를 통과하면서 3.1기압으로 감압된다. 이 감압으로 밸브(12)를 통과한 액체에서 또다른 기체질소가 발화하고 액체질소는 3.1기압으로 남아있다. 방화 가스는 제2상 분리조(14)에서 액체질소로부터 분리된다. 이 발화가스는 제1팽창단계에서 생긴 8기압 발화가스와는 병류(cocurrent flow)로, 또한 액체질소와는 역류로 통과하여 열교환기(4)에 되돌아가고 그결과 액체질소가 냉각된다. 제2상 분리조(14)에 모인 액체질소의 일부는 다시 제3팽창교축밸브(16)을 통과하여 1.3기압으로 감압된다. 이 감압으로 밸브(16)을 통과한 액체질소에서 또다른 기체질소가 발화하고 1.3기압의 액체질소를 남긴다. 발화가스는 제3상 분리조(18)에서 액체질소로부터 분리된다. 이 발화가스는 제1팽창단계의 8기압 발화가스 제2팽창단계의 3.1기압 발화가스와는 병류로 또한 액체질소와는 역류로 통과하여 열교환기(4)에 되돌아가고 그결과 액체질소를 냉각시킨다. 제2상 분리조(14)로부터의 잔류 익체질소는 제3상 분리조(16) 내부에 장치된 열교환코일(22)을 통하여 추가냉각되어 저장조(도면에 표시안됨) 상부도 보내진다. 제3상 분리조(18)의 액체질소가 비등하여 발생되는 증기는 발화가스와 함께 최종 액체질소에 대해 역류 통과하여 열교환기에 되돌아간다.The liquid nitrogen of 8 atm is taken out of the phase separation tank 10 and is reduced to 3.1 atm as it passes through the second copper enthalpy
제2도에서 선 AB는 등압곡선으로서 이 선을 따라 질소액화공장에서 질소가 냉각된다. 점 B는 액체질소가 열교환기(36)(제3도)를 떠나는 점의 온도(110°K)를 나타낸다. 선 DEF는 "영역"을 정의하는데 이 영역내에서는 액체와 기체의 "2상(biphase)"상태로 존재한다. 선 BGHI, JKL 및 MNO는 동엔탈피선이다. 선 PQ, RS 및 TU는 기체질소에 대한 등압선이다.Line AB is an isostatic curve in FIG. 2 along which the nitrogen is cooled in the nitrogen liquefaction plant. Point B represents the temperature (110 ° K) of the point where liquid nitrogen leaves heat exchanger 36 (FIG. 3). Line DEF defines a "zone" in which the "biphase" state of liquid and gas exists. Lines BGHI, JKL and MNO are copper enthalpy lines. Lines PQ, RS and TU are isobars for gaseous nitrogen.
제1도의 밸브(6)를 통한 제1동엔탈피 팽창을 고려해 보건대, 질소는 영역 DEF내의 점 H에 도달할 때까지 동엔탈피선 BGHI를 따른다. 질소는 액체와 기체의 2상(biphase)으로 존재한다. 상 분리조(10)에서 액체와 기체를 분리하고 이 분리결과 액체질소는 점 J(발화가스는 점 P에서)에서 얻는다. 제2동엔탈피 팽창은 점 K에 도달할 때까지 질소가 등엔탈피선 JKL을 따른다. 제2상 분리는 점 M에서 액체를(점 R에서 발화가스를)형성한다. 제3동엔탈피 팽창은 점 N에 도달할 때까지 질소가 선 MNO를 따르게 한다. 제3상분리는 점 V에서 액체를(점 T에서 발화가스를)만든다. 제3상분리조내의 액체는 제2상분리조의 액체에 의해 증발되고 그후 이 액체는 과냉각(undercooling)된다. 과냉각된 액체는 점 M과 같은 압력과 또한 점 M과 점 V사이의 온도를 갖는 저장조로 보낸다. 점 V의 액체가 단 1회의 동엔탈피팽창후 얻어진 것이라고 가정한다. 이것은 점 W에 도달할 때까지 경로 BGHI를 따른 질소를 포함할 것이다. 이 과정에서의 전체 엔트로피 증가는 과정 GH, JK 및 MN을 따르는데 수반한 엔트로피 증가량의 합보다 크다. 이것은 과정 HI가 덜 가파른 반면에 선분 GH, JK 및 MN이 모두 비교측 가파르기 때문이다(각 동엔탈피 그래프에서부(negative) 기울기는 온도 하강에 따라 감소한다). 따라서 3개의 계속적 동엔탈피 팽창을 수행하는 것보다 하나의 동엔탈피 팽창을 수행하는 일이 더욱 큰 비가역성을 가져오기 때문에 전자의(본 발명에 따른)이 후자의 공정보다 열역학적으로 더욱 효율적이다. 더우기, 최소한 3개의 동엔탈피 팽창의 사용은 첫번째것 뒤의 각 동엔탈피 팽창에서 비가역성의 일이 실행되는 작동유체의 양을 감소시킨다.Considering the first copper enthalpy expansion through the valve 6 in FIG. 1, nitrogen follows the copper enthalpy line BGHI until it reaches point H in the area DEF. Nitrogen is present in the biphase of liquid and gas. In the phase separation tank 10, liquid and gas are separated and the liquid nitrogen is obtained at point J (ignition gas at point P). The second copper enthalpy expansion follows the isoenthalpy line JKL until the nitrogen reaches point K. The second phase separation forms a liquid (ignition gas at point R) at point M. Tertiary enthalpy expansion causes nitrogen to follow the line MNO until point N is reached. The third phase separation produces a liquid at point V (ignition gas at point T). The liquid in the third phase separation tank is evaporated by the liquid in the second phase separation tank and then the liquid is undercooled. The supercooled liquid is sent to a reservoir having a pressure equal to point M and also a temperature between points M and V. Assume that the liquid at point V is obtained after only one dynamic enthalpy expansion. This will include nitrogen along path BGHI until point W is reached. The overall entropy increase in this process is greater than the sum of the entropy increases involved in following the processes GH, JK and MN. This is because the process HI is less steep, while the line segments GH, JK and MN are all steeper (negative slope in each enthalpy graph decreases with temperature drop). The former (according to the invention) is therefore thermodynamically more efficient than the latter process, since carrying out one dynamic enthalpy expansion results in greater irreversibility than carrying out three successive enthalpy expansions. Moreover, the use of at least three dynamic enthalpy expansions reduces the amount of working fluid in which irreversible work is performed at each dynamic enthalpy expansion after the first one.
또한 만일 점 V가 4회 또는 5회나 그 이상의 계속적인 동엔탈피 팽창을 통해 도달된다면 보다 큰 효율증가를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 실제로 5회 이상의 동엔탈피 팽창은 다른 장점이 감소되어 타당성이 희박해진다.It can also be seen that greater efficiency gains can be achieved if point V is reached through 4 or 5 or more continuous enthalpy expansions. In practice, however, more than five dynamic enthalpy expansions reduce other benefits, making the feasibility of the swelling slim.
또한 제1동엔탈피 팽창(BGH)은 제2, 제3동엔탈피 팽창보다 덜 효율적임을 알 수 있는데, 이것은 BG 과정이 비교적 큰 엔트로피 증가를 포함하기 때문이다. 점 H의 온도 이하의 온도에서 등압선 AB는 영역 DEF에 수렴하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 점 J에 해당되는 온도로 내려갈때까지는 등압냉각하고 여기서부터는 3회 이하의 동엔탈피 팽창을 수행하는 것이 보다 유리하다는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 실천은 이롭지 못한데 그것은 동엔탈피 팽창을 취하는 점의 온도까지 질소를 냉각시키는데 필요한 작동유체의 열팽창 작업에서 지나친 열역학적 효율을 손실을 초래하기 때문이며 더우기 J : J 간의 엔트로피 증가는 동엔탈피선을 따라가는 BG 보다 크다.It can also be seen that the first copper enthalpy expansion (BGH) is less efficient than the second and third copper enthalpy expansions, since the BG process involves a relatively large entropy increase. At temperatures below the temperature of point H, the isobar AB converges to the region DEF. Therefore, it is conceivable that it is more advantageous to isothermally cool until the temperature falls to point J and to carry out enthalpy expansion of up to three times from here. However, this practice is not beneficial because it results in the loss of excessive thermodynamic efficiency in the thermal expansion of the working fluid required to cool the nitrogen to the point where the dynamic enthalpy expansion takes place, and furthermore, the increase in entropy between J: J follows the copper enthalpy line. Greater than BG
제1도를 다시 참고하면, 온도 113°K 및 압력 45기압에서 질소(2) 스트림을 제조하는 각종 방법이 있다. 제3도에 설명된 공장설비는 이러한 질소 스트림을 생산하는 방법을 포함한다.Referring back to FIG. 1, there are various methods of producing a stream of
제3도에서, 실온(300°K)과 임계압력 이상의 압력(45기압)의 질소 스트림(30)의 열교화장치(32)를 통하는데 이 열교환장치는 더운끝(34) 및 찬끝(36)이 있고 열교환기(38)(40)(42)(44)(46)(48)와 (50)가 차례로 구성되어 있고 각 열교환기는 점차적으로 바로 위의(주스트림(30)의 유동방향으로) 열교환기보다 낮은 온도에서 가동된다. 열교환기(50)을 떠나는 스트림(32)는 110°K의 온도를 가진다. 그리고 교축밸브를 통하여 팽창되어 8기압 액체질소와 역시 8기압의 발화가스를 만든다. 제1상 분리조(56)의 발화가스(58)는 열교환장치(32)의 찬끝(36)으로부터 더운끝(34)으로 스트림(30)에 대해 역류방향으로 되돌아간다.In FIG. 3, a heat exchanger 32 of a
분리조(56)에서 나온 액체질소는 교축밸브(60)을 통해 동엔탈피로 괭창되어 3.1기압의 액체질소와 발화가스를 만든다. 액체질소는 제2상 분리조(62)에서 발화가스와 분리된다. 발화가스 스트림(64)는 분리조(62)를 떠나 열교환장치(32)의 찬끝(36)에서 더운끝(34)로 질소 스트림(30)과 역류방향으로 열교환하면서 되돌아간다. 분리조(62)에 모인 액체의 일부는 교축밸브(66)를 통해 동엔탈피 팽창되어 1.3기압의 액체질소와 발화가스를 만든다. 액체질소는 제3상 분리조(68)에서 발화가스와 분리된다. 발화가스(70)는 제3상 분리조(68)을 떠나 열교환장치(32)의 찬끝(36)에서 더운끝(34)로 스트림(30)과 역류방향으로 열교환하면서 되돌아간다. 분리조(62)예서 나온 액체는 제3상 분리조(68)내에 설치된 코일(72)에서 더욱 냉각된후 저장조로 간다. 제3상 분리조(68)의 액체질소는 제2상 분리조(62)의 액체질소에 의해 증발되고 여기서 발생되는 증기는 발화가스(70)에 합류된다.The liquid nitrogen from the
발화가스 스트림(58), (64)과 (70)은 열교환기(32)의 모든 냉각원이 되고 질소 스트림(30)의 온도를 113°K에서 110°K로 낯추는데 유효하다. 전형적으로, 발화가스는 액체질소가 저장조를 통과할때 52%로 생성된다. 발화가스가 생성되는 시점의 압력은 열교환장치(32)의 더운끝(34)로부터 되돌아오는 곳의 압축기 압력에 의하여 결정된다.The ignition gas streams 58, 64, and 70 are all sources of cooling of the heat exchanger 32 and are effective in reducing the temperature of the
압력 34.5기압, 온도 300°K의 제1작동유체 싸이클(77)에서의 질소 작동유체의 스트림(76)은 질소 스트림(30)과 병류(cocurrent flow)로 계속해서 열교환기(30)(40)(42)(44)와 (46)을 차례로 통과하고 온도 138°K로서 열교환기(46)을 떠난다. 이 스트림은 그다음 "저온"팽창터빈(78)에서 16기압의 압력으로 열팽창된다. 터빈(78)을 떠나는 작동유체스트림(80)의 온도는 112°K으로 이 유체가 스트림(30)에 대해 역류방향으로 열교환기(48)를 지나면서 이 열교환기에 필요한 냉동량을 충족시키고 다음에 열교환기(46)(44)(42)(40)와 (38)을 차례로 통과한다.The stream of
제2작동유체 싸이클(81)에서는 질소 스트림(30)의 일부를 열교환기(44)의 "찬"끝과 열교환기 (46)의 "더운"끝 사이에서 온도 163°K 일때 취하고 제1중간 팽창터빈(82)을 통해 이 스트림이 일팽창되고 온도 136°K와 압력 23기압인 스트림(84)으로 되어 터빈(82)을 떠난다. 스트림(84)는 스트림(30)에 대해 역류방향으로 열교환기(46)을 통과하면서 재가열되어 열교환기 증간지점에서 온도 150°K일때 취한다. 이것은 다시 제2중간 팽창터빈(86)을 통해 열팽창된다. 그결과 온도 136°K 압력 16기압의 질소 스트림(88)이 되어 터빈(86)을 떠나 열교환기(46)의 찬끝과 열교환기(48)의 더운끝의 사이에서 스트림(80)과 합류되어 열교환기(46)에 필요한 냉동량을 충족시킬 수 있게 된다.In the second working
제3작동유체 싸이클(89)에서 스트림(30)의 또다른 일부는 열교환기(42)의 찬끝과 열교환기(44)의 더운물 사이에서 온도 210°K 일때 취하고 이것이 "고온" 팽창터빈(90)으로 들어가 열팽창한다. 그후 압력 16기압, 온도 160.5°K의 질소 스트림(92)이 되어 터빈을 떠난다. 스트림(92)는 다음에 열교환기(44)의 찬끝과 교환기(46)의 더운끝 사이에서 스트림(80)에 합류된다. 스트림(92)은 이와 같이하여 열교환기(42)에 필요한 냉동량을 충족시킨다.Another portion of the
재래식 프레온 냉동기(94)(96)(98)은 열교환기(38)(40)(42)를 각각 냉동하기 위해 사용된다. 이와 같은 방법으로 질소 스트림(30)의 온도는 초기의 300°K에서 열교환기(42)의 찬끝의 210°K로 낮아진다.
제3도에 제시된 공장에 사용된 압축기 시스템은 제3도의 간결성을 도모하기 위하여 설명되지 않았다. 그러나 이 압축기 시스템은 1기압의 흡입압력을 갖는 1단과 34.5기압의 토출압력을 갖는 최종단을 갖는 다단압축기를 포함한다. 1기압의 질소는 스트림(70)의 발화가스와 함께 제1단 흡입구로 주입된다. 이 시스템은 열교환장치(32)의 더운끝(34)을 떠난뒤 가단에서 차례로 발화가스(64) 및 (58)과 합류된다. 그것은 또한 압축기의 증가되는 단에서 일팽창한 작동유체의 되돌아오는 스트림(30)과 합류한다. 스트림(58)(64)(70) 및 (80)의 각각은 타스트림으로부터 압축기의 다른 단으로 공급된다. 다단압축기를 떠나는 가스의 일부는 스트림(76)을 형성한다. 나머지는 각각의 팽창터빈으로 가동되는 4개의 승압 압축기에 의하여 45기압까지 더욱 압축되어 질소 스트림(30)을 형성하는데 사용된다. 다단압축기의 각단과 각 승압 압축기는 압축된 가스에서 열을 제거하기 위하여 설치된 자체 수냉각기를 가지고 있다.The compressor system used in the plant shown in FIG. 3 has not been described for the sake of brevity of FIG. This compressor system, however, comprises a multistage compressor having one stage with a suction pressure of 1 atmosphere and a final stage with a discharge pressure of 34.5 atmospheres. One atmosphere of nitrogen is injected into the first stage inlet with the ignition gas of
제3도에 표시된 공장은 제4도에서 도포로 표현된다. 45기압이상(예로 50기압)의 압력에서 질소 스트림을 약화하는데 적합한 공장은 제5도에 유사하게 표현된다. 제5도의 공장과 제4도의 공장간의 주요 차이점은 전자는 4개의 일팽창터빈을 사용하는데 반하여 후자는 단지 2개의 일팽창터빈을 사용하는 것이다. 다른 터빈("고온"터빈)은 210°K에서 질소를 압축하여 그 온도를 150°K로 낮히는데 반하여 이 터빈("저온"터빈)은 질소를 150°K에서 압축하여 50기압에서 14기압으로의 일팽창에 의하여 그 온도를 110°K까지 낮춘다. 그러므로 작동유체의 단지 2개의 일팽창된 스트림만이 그의 임계온도 이하로 질소제품을 냉각시키는데 사용된다 하더라도 이 스트림의 높은 압력은 이것의 온도-엔탈피 프로다일(제시되지는 않음)의 기복의 작게 만들기 때문에 회수되는 스트림의 온도-엔탈피 프로파일을 생성된 질소 스트림의 온도-엔탈피 프로파일과 상당히 일치하게 유지시킬 수 있다.The factory shown in FIG. 3 is represented by application in FIG. Plants suitable for attenuating the nitrogen stream at pressures above 45 atm (eg 50 atm) are similarly represented in FIG. The main difference between the plant of FIG. 5 and the plant of FIG. 4 is that the former uses four single expansion turbines, while the latter uses only two single expansion turbines. Other turbines ("hot" turbines) compress nitrogen at 210 ° K and lower its temperature to 150 ° K, while turbines ("low temperature" turbines) compress nitrogen at 150 ° K to 50 to 14 atmospheres. By lowering the temperature to 110 ° K. Therefore, even if only two monoexpanded streams of working fluid are used to cool the nitrogen product below its critical temperature, the high pressure of this stream makes the temperature-enthalpy prodyl (not shown) of the relief small. Thus, the temperature-enthalpy profile of the stream to be recovered can be kept to be substantially consistent with the temperature-enthalpy profile of the resulting nitrogen stream.
제3도를 다시 보면, 질소 스트림(80)이 열교환장치(32)의 더운끝(34) 방향으로 통과하기 때문에 점차적으로 가열된다. 이러한 통과가 실제로 등압과정에 실행된다고 가정하면, 이것은 질소 작동유체가 제6도에 설명된 것의 하나와 같이 등압과정을 따른다는 것을 의미한다. 제6도는 1기압에서 25기압 범위의 각종 압력에서 온도에 대한 질소의 비열의 변화를 나타내는 커브의 모임이다. 각 등압선의 좌축끝은 기체 질소의 포화온도에서 끝난다. 등압선상에 놓여있는 어느 온도에서 등압선의 압력이 높을수록 질소의 비열이 크며 따라서 그 온도에서의 냉동용량도 더 크다는 것을 알 수 있다. 임의의 온도에서 높은 압력일때의 비열대 낮은 압력일때의 비열의 상관차이는 압력이 증가함에 따라 증가하고 이 증가는 10기압 이상에서 특히 현저하다.Referring back to FIG. 3, the
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